(57)【要約】  基板を内部に配置するチャンバと、チャンバ内に配置された、被膜の形成材料を含むターゲットと、チャンバの内部に配置された基板支持台と、基板支持台を回転させる駆動手段と、基板に対してスパッタ粒子を斜め方向から入射させるスパッタリングカソードと、所望の膜厚の被膜の形成に要するスパッタ成膜時間が、基板支持台の回転周期の整数倍となるように回転周期を定め、駆動手段の制御を行う制御装置とを備える成膜装置を提供する。
2012002473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタ成膜により被膜を形成すべき基板を内部に配置するチャンバと、
前記チャンバ内に配置された、前記被膜の形成材料を含むターゲットと、
前記チャンバの内部に配置された基板支持台と、
前記基板支持台を回転させる駆動手段と、
前記ターゲットが装着され前記基板支持台の上の基板に対してスパッタ粒子を斜め方向から入射させるスパッタリングカソードと、
所望の膜厚の被膜の形成に要するスパッタ成膜時間であって、前記支持台が所定の回転周期で回転するスパッタ成膜時間が、前記基板支持台の回転周期の整数倍となるように回転周期を定め、前記駆動手段の制御を行う制御装置と、
を備えることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記基板支持台の回転周期が所定の回転周期となるまでの加速中、及び、成膜終了後の減速中の加速時間及び減速時間を等しく、かつ、加速時間及び減速時間が前記回転周期の整数倍となるように設定した上で、前記加速中及び減速中においてもスパッタ成膜を行うように、前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
スパッタ成膜により被膜を形成すべき基板を内部に配置するチャンバと、
前記チャンバ内に配置された、前記被膜の形成材料を含むターゲットと、
前記チャンバの内部に配置された基板支持台と、
前記基板支持台を回転させる駆動手段と、
前記ターゲットが装着され前記基板支持台の上の基板に対してスパッタ粒子を斜め方向から入射させるスパッタリングカソードと、を備えた成膜装置を用いた成膜方法であって、
所望の膜厚の被膜の形成に要するスパッタ成膜時間であって、前記支持台が所定の回転周期で回転するスパッタ成膜時間が、前記基板支持台の回転周期の整数倍となるように回転周期を定め、前記駆動手段の制御を行うことを特徴とする成膜方法。
【請求項４】
最長回転周期を設定し、前記回転周期が前記最長回転周期よりも長くならないように回転周期を定めることを特徴とする請求項３に記載の成膜方法。
【請求項５】
前記基板支持台の回転周期が所定の回転周期となるまでの加速中、及び、成膜終了後の減速中の加速時間及び減速時間を等しく、かつ、加速時間及び減速時間が前記回転周期の整数倍となるように設定した上で、前記加速中及び減速中においてもスパッタ成膜を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の表面に被膜を形成するための成膜装置及び成膜方法、特に、複数個のスパッタリングカソードが設けられた成膜装置及びこの装置を用いた成膜方法に関する。
本願は、２０１０年６月３０日に出願された特願２０１０−１４９３２１号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば半導体デバイスの製作における成膜工程においてはスパッタリング法を用いた成膜装置（以下、「スパッタリング装置」という。）が使用されている。その中でも、同一装置内で真空を破らずに連続的に成膜や多元スパッタが可能なスパッタリング装置として、多元スパッタリング装置が知られている。多元スパッタリング装置は、所定の真空度に保持可能な真空チャンバ内に配置した処理基板に対抗させて、処理基板表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて作製されたターゲットをそれぞれ有する複数のスパッタリングカソードが設けられたスパッタリング装置である。【０００３】
多元スパッタリング装置においては、スパッタ粒子を斜め方向から基板方向に入射させるため、基板面上の膜厚均一性を高めるために、基板及び基板を支持する基板支持台を回転させながら成膜する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、近年のスパッタリング装置においては、スパッタリングの性能の向上のために、スパッタリング時における投入パワーの増加が図られている。これにより、より短時間での成膜が可能となり、スループットの向上を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２１２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このような用途のスパッタリング装置においては、ＬＥＤ、光学膜等の成膜工程では、要求される膜厚が薄くなってきていると共に、膜厚均一性よく成膜できることが強く要求されている。【０００６】
上述したような、基板を回転させるタイプの場合は、より膜厚均一性を高めるためには、基板の回転周期に対して成膜時間は十分長いことが好ましい。しかし、薄膜化及び投入パワーの増加に伴って成膜時間が短縮化されているため、基板の回転周期に対して、成膜時間が十分ではなくなってきているという問題がある。【０００７】
例えば、基板の回転周期が１秒（６０ｒｐｍ）であることに対し、スパッタ成膜時間が１．５秒であるとすると、スパッタ成膜時間の間に基板は１回転半することになる。この場合、１．５秒のスパッタ成膜時間のうち、最後の０．５秒が膜厚不均一の要因となり、膜厚分布が大きく損なわれてしまう。言い換えれば、スパッタ成膜時間１．５秒間で、基板が５４０°回転してしまうため、一周３６０°に対する余剰の回転（１８０°）において、不均一な膜厚が形成されてしまう。【０００８】
この問題に対しては、回転速度を更に速くすることで膜厚分布を改善する方法が考えられる。しかしながら、回転速度を速くすることによって、成膜装置の消費電力の増加や、回転装置の短寿命化を招くという問題がある。【０００９】
また、スループットに直結する基板１枚当たりの処理室滞在時間には、スパッタ成膜時間のみならず、基板支持台に基板を載置してから、基板の回転速度を所定の回転速度まで加速させる時間、及び減速させる時間が含まれる。回転速度を速くしようとすると、加速時間及び減速時間も長くなるため、スループットが悪化するという問題がある。【００１０】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、膜厚均一化を図ることができ、スパッタリング時の消費電力を抑えるとともに、基板支持台を回転させる駆動手段の長寿命化を実現し、かつ、より短時間でスパッタリングを行うことができる成膜装置及び成膜方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の成膜装置は、スパッタ成膜により被膜を形成すべき基板を内部に配置するチャンバと、前記チャンバ内に配置された、前記被膜の形成材料を含むターゲットと、前記チャンバの内部に配置された基板支持台と、前記基板支持台を回転させる駆動手段と、前記ターゲットが装着され前記基板支持台の上の基板に対してスパッタ粒子を斜め方向から入射させるスパッタリングカソードと、所望の膜厚の被膜の形成に要するスパッタ成膜時間であって、前記支持台が所定の回転周期で回転するスパッタ成膜時間が、前記基板支持台の回転周期の整数倍となるように回転周期を定め、前記駆動手段の制御を行う制御装置とを備えることを特徴とする。【００１２】
また、前記制御装置は、前記基板支持台の回転周期が所定の回転周期となるまでの加速中、及び、成膜終了後の減速中の加速時間及び減速時間を等しく、かつ、加速時間及び減速時間が前記回転周期の整数倍となるように設定した上で、前記加速中及び減速中においてもスパッタ成膜を行うように、前記駆動手段を制御することが好ましい。【００１３】
本発明の成膜方法は、スパッタ成膜により被膜を形成すべき基板を内部に配置するチャンバと、前記チャンバ内に配置された、前記被膜の形成材料を含むターゲットと、前記チャンバの内部に配置された基板支持台と、前記基板支持台を回転させる駆動手段と、前記ターゲットが装着され前記基板支持台の上の基板に対してスパッタ粒子を斜め方向から入射させるスパッタリングカソードと、を備えた成膜装置を用いた成膜方法であって、所望の膜厚の被膜の形成に要するスパッタ成膜時間であって、前記支持台が所定の回転周期で回転するスパッタ成膜時間が、前記基板支持台の回転周期の整数倍となるように回転周期を定め、前記駆動手段の制御を行うことを特徴とする。【００１４】
また、前記成膜方法は、最長回転周期を設定し、前記回転周期が前記最長回転周期よりも長くならないように回転周期を定めることが好ましい。【００１５】
また、前記成膜方法は、前記基板支持台の回転周期が所定の回転周期となるまでの加速中、及び、成膜終了後の減速中の加速時間及び減速時間を等しく、かつ、加速時間及び減速時間が前記回転周期の整数倍となるように設定した上で、前記加速中及び減速中においてもスパッタ成膜を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ターゲットが装着され基板支持台の上の基板に対してスパッタ粒子を斜め方向から入射させるスパッタリングカソードを備えた成膜装置において、所望の膜厚の被膜の形成に要するスパッタ成膜時間が、基板支持台の回転周期の整数倍となるように回転周期を定め、基板支持台の駆動手段の制御を行う制御装置を備える構成としたことによって、膜厚分布をより均一にすることができる。
また、基板支持台の回転速度が低下することになるため、消費電力が抑えられ、装置の長寿命化を実現することができる。
また、基板支持台の回転周期が所定の回転周期となるまでの加速中、及び、成膜終了後の減速中においてもスパッタ成膜を行うことによって、さらに成膜時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の成膜装置の概略断面図である。
【図２】成膜装置の概略平面図である。
【図３】成膜時間と回転速度の関係を示すグラフである。
【図４】成膜時間と回転速度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００１９】
（スパッタリング装置）
図１は、本実施形態に係る成膜装置１の概略断面図である。本実施形態において、成膜装置１は、マグネトロンスパッタ装置として構成されている。
成膜装置１は、内部を気密封止しうるチャンバ２と、この真空チャンバ２の内部に配置された基板支持台３と、この基板支持台３を回転軸４を軸心として回転させる駆動手段７と、真空チャンバ２の内部に配置された複数（本実施の形態においては３組）のスパッタリングカソード５Ａ，５Ｂ，５Ｃ等を備えている。
【００２０】
真空チャンバ２は、内部に処理室６を画成しており、図示しない真空排気手段を介して処理室６を所定の真空度にまで減圧可能とされている。また、処理室６の内部にアルゴンガス等のプロセスガスや酸素、窒素等の反応性ガスを導入するためのガス導入ノズル（図示せず）が真空チャンバ２の所定位置に取り付けられている。
【００２１】
基板支持台３は、図示しない温度調整手段を用いて、基板支持台３上に載置された基板Ｗを所定温度に加熱可能に構成されている。また、基板Ｗは、例えば、静電チャックによって基板支持台３に固定される。
【００２２】
回転軸４は、モータ等の駆動手段７を介して回転可能に構成されている。これにより、基板Ｗをその中心のまわりに自転させる基板回転機構が構成される。回転軸４の軸シールには、磁性流体シールが用いられている。
【００２３】
スパッタリングカソード５Ａ〜５Ｃは、図２に示すように、真空チャンバ２の上部において、基板Ｗを中心とする同心円上に等角度間隔に配置されている。これらスパッタリングカソード５Ａ〜５Ｃは、処理室６内においてプラズマを形成するための高周波電源やマグネット機構などのプラズマ発生源が、各々独立して配備されているものとする。
【００２４】
各々のスパッタリングカソード５Ａ〜５Ｃには基板Ｗに成膜する任意の材料からなるターゲットがそれぞれ保持されている。スパッタリングカソード５Ａ〜５Ｃは、プラズマ中のアルゴンイオンによってターゲットから叩き出されたスパッタ粒子が基板Ｗの法線方向に対して斜め方向から入射するように各々所定角度傾斜させてチャンバ２に設置されている。
【００２５】
駆動手段７は、制御装置８によって制御されている。制御装置８は、回転軸４を所定の回転速度に回転可能に構成されている。すなわち、使用者は、基板Ｗを所望の回転速度、及び回転周期で回転させることができる。
【００２６】
制御装置８は、成膜装置１の仕様等によって決定されるスパッタ成膜速度と、使用者が所望する成膜膜厚から、スパッタ成膜時間Ｔ（秒）を計算する機能を有する。
さらに、制御装置８は、計算されたスパッタ時間Ｔに応じて、回転周期Ｐ（秒）を決定する機能を有する。ここで、回転周期Ｐとは、基板支持台３が１回転するのに要する時間（秒）であり、基板支持台３の回転速度をＳｒｐｍ（回転／分）とすると、Ｐ＝６０／Ｓで計算される値である。
【００２７】
制御装置８は、スパッタ成膜時間Ｔが、回転周期Ｐの整数倍となるように制御する。つまり、スパッタ成膜時間をＴとすると、回転周期Ｐは、以下の数式（１）ように計算される。ｎは整数を表わす。
Ｔ＝ｎ×Ｐ  ・・・（１）
すなわち、以下の数式（２）で、回転周期Ｐが計算される。
Ｐ＝（１／ｎ）×Ｔ  ・・・（２）
このような方法で算出された回転周期Ｐとなるような回転速度Ｓで基板支持台３を回転させる制御を行うことによって、基板支持台３（基板Ｗ）は、スパッタ成膜時間Ｔの間に正確にｎ回転する。
【００２８】
言い換えれば、スパッタ成膜時間Ｔの間、基板支持台３が一定速度で正確に（３６０×ｎ）°回転するように、回転周期Ｐ（回転速度Ｓ）が決定される。当然のことながら、スパッタ成膜が行われる時間（スパッタ成膜時間Ｔ）も正確に制御される。
【００２９】
消費電力や駆動手段７の寿命を考慮すると、回転速度Ｓは遅いこと（回転周期Ｐは長いこと）が好ましい。つまり、ｎは小さい整数であることが好ましい。
しかしながら、回転周期Ｐが長すぎる場合、すなわち回転速度Ｓが遅くなりすぎることによって、膜厚均一度及び駆動モータの振動等の問題が生じるため、最長回転周期Ｐｍａｘ（最低回転速度）を設定しておくことが好ましい。計算された回転周期Ｐが、最長回転周期Ｐｍａｘに満たない場合は、上記計算式のｎの値を順次大きくすることによって最長回転周期Ｐｍａｘを超えないようにする再計算を行う。
【００３０】
一方、駆動手段７の仕様によって最短回転周期Ｐｍｉｎ（最高回転速度）を設定することが好ましい。ｎ＝１とした場合でも、最短回転周期Ｐｍｉｎを下回る回転周期Ｐが計算された場合は、図示しない表示装置に警告を表示後、最短回転周期Ｐｍｉｎで処理を行う。
【００３１】
また、スパッタ成膜時間Ｔがある程度予測できる場合は、予め、スパッタ成膜時間Ｔに対する回転回数（上記した計算式における整数ｎ）を定めておく方法としてもよい。
例えば、スパッタ成膜時間Ｔが６０秒以下であると予測できる場合は、スパッタ成膜時間が１秒以上３０秒未満の場合は、スパッタ成膜時間Ｔで基板支持台３を１回転させるように制御するように定める。また、スパッタ成膜時間Ｔが３０秒以上６０秒以下の場合は、スパッタ成膜時間Ｔで、基板支持台３を２回転させるように制御するように定める。このようなデータテーブルを用意することで、より容易に回転周期Ｐ（回転速度Ｓ）を計算することができる。
【００３２】
例えば、上述したようなデータテーブルの場合、スパッタ成膜時間Ｔが５０秒と計算された場合、基板支持台３を２回転させるように制御を行う。つまり、回転周期Ｐは、（５０秒／２回転＝）２５秒と算出される。
【００３３】
また、基板支持台３を所定の回転速度Ｓで回転させる場合、実際の処理室滞在時間には、所定の回転速度Ｓまで加速させる時間（加速時間）、及び減速させる時間（減速時間）が必要となる。
更なる処理室滞在時間の短縮のため、以下のような方法で加速時間及び減速時間においてもスパッタ成膜を行うことが好ましい。つまり、加速時間における加速度を一定にするとともに、減速時間における加速度を一定にし、かつ、加速時間の加速度と減速時間の加速度の絶対値を等しくするように加速減速を行わせることによって、加速時間及び減速時間においてもスパッタ成膜を行う。
【００３４】
加速時の膜厚分布は偏ったものとなるが、減速時の膜厚分布の偏りがそれを補完する。以上のような方法により、加速・減速中にもスパッタ成膜を行うことができるため、膜厚分布を悪化させることなく、処理室滞在時間を短縮させることができる。ただし、加速時間及び減速時間は、回転速度Ｓの回転周期Ｐの整数倍とする必要がある。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。【００３６】
＜実施例１＞
実施例１では、図１、２に示す成膜装置１を用い、Ｃｕ膜を成膜した。基板Ｗとして、φ３００ｍｍのＳｉウエハを用いた。また、ターゲットとして、Ｃｕの組成比が９９％で、スパッタ面の径がφ１２５ｍｍに作製したものを用いた。成膜するＣｕ膜の膜厚は１．５μｍとした。【００３７】
まず、成膜装置１のスパッタ速度と、形成するＣｕ膜の膜厚から、スパッタ成膜時間を計算した。スパッタ成膜時間は１．５秒となった。この１．５秒間で、基板支持台３を１回転させるとすると、Ｐ＝（１／ｎ）×Ｔより、回転周期Ｐは（（１／１）×１．５＝）１．５秒（４０ｒｐｍ）となる。【００３８】
この条件で成膜を行ったところ、１．５秒の成膜時間で、基板支持台３が正確に１回転するため、膜厚均一度の高い成膜を行うことができた。【００３９】
＜比較例１＞
回転周期Ｐ（回転速度）を制御しないこと以外は、実施例１と同様の方法で成膜を行った。回転周期Ｐは１秒（回転速度６０ｒｐｍ）とした。【００４０】
成膜装置１が同じであるため、スパッタ成膜時間Ｔは１．５秒である。この条件で成膜を行ったところ、１．５秒の成膜時間で、基板支持台３が１．５回転するため、膜厚分布が大きく損なわれる結果となった。【００４１】
以上のように、実施例１と比較例１とを比較すると、同じスパッタ成膜時間Ｔでありながら、実施例１の方が膜厚均一度の高い成膜を実現することができた。【００４２】
＜実施例２＞
実施例２では、図１に示す成膜装置１を用い、Ｃｕ膜を成膜した。基板Ｗとして、φ３００ｍｍのＳｉウエハを用いた。また、ターゲットとして、Ｃｕの組成比が９９％で、スパッタ面の径がφ１２５ｍｍに作製したものを用いた。成膜するＣｕ膜の膜厚は１８０μｍとした。つまり、実施例１と比較して、Ｃｕ膜の膜厚を厚くした。【００４３】
また、最短回転周期を１秒（６０ｒｐｍ）、最長回転周期を６０秒（１ｒｐｍ）と設定した上で、以下に記すようなデータテーブルを準備した。
１≦Ｔ≦１０（秒）      ：ｎ＝１（回転）
１０＜Ｔ≦２０（秒）    ：ｎ＝２（回転）
２０＜Ｔ≦６０（秒）    ：ｎ＝３（回転）
６０＜Ｔ≦１２０（秒）  ：ｎ＝４（回転）
１２０＜Ｔ≦３００（秒）：ｎ＝５（回転）【００４４】
まず、成膜装置１のスパッタ速度と、形成するＣｕ膜の膜厚から、スパッタ成膜時間を計算した。スパッタ成膜時間は１２０秒となった。
上記したデータテーブルより、スパッタ成膜時間Ｔの間に回転する基板支持台３の回転回数は４となる。前記した式、Ｐ＝（１／ｎ）×Ｔより、回転周期Ｐは（（１／４）×１２０＝）３０秒となる。【００４５】
回転周期Ｐ＝３０秒の回転を、回転速度に換算すると、２ｒｐｍ（回転／分）である。本実施例で使用される成膜装置は、回転速度２ｒｐｍまで加速するのに要する時間、及び２ｒｐｍから基板支持台３を停止させるまでに要する時間は、それぞれ２秒であるため、図３に示すように、１枚当たりの処理室滞在時間は、（１２０＋４＝）１２４秒となった。【００４６】
＜実施例３＞
基板支持台３の加速中、及び基板支持台３の減速中においてもスパッタ成膜を行うこと以外は、実施例２と同様の方法で成膜を行った。
基板支持台３を２ｒｐｍまで加速するのに必要な時間は２秒であるが、加速時間、及び減速時間は、少なくとも２ｒｐｍにおける回転周期Ｐ＝３０秒の整数倍とする必要があるため、加速時間及び減速時間はそれぞれ３０秒とした。
また、加速中の加速度と減速中の加速度は一定であり、かつ、加速中の加速度と減速中の加速度の絶対値が等しくなるように、加速、減速を行った。【００４７】
図４に示すように、加速・減速中になされたスパッタ成膜は、回転速度２ｒｐｍでのスパッタ成膜における６０秒のスパッタ成膜に相当する。よって、計算されたスパッタ成膜時間を、１２０秒から６０秒に短縮することができる。よって、１枚当たりの処理室滞在時間は、６０＋６０＝１２０秒となった。【００４８】
＜比較例２＞
従来の方法で、成膜を行った。成膜時間は、実施例と同様に１２０秒である。一方、ステージ回転速度は、６０ｒｐｍ（回転周期１秒）とした。また、６０ｒｐｍまで加速するのに必要な時間は３０秒であり、６０ｒｐｍから停止させるのに必要な時間も３０秒である。【００４９】
この場合、ステージ回転速度が十分に速いため、膜厚均一度には問題はなかった。１枚当たりの処理室滞在時間は、（１２０＋３０×２＝）１８０秒となる。【００５０】
実施例２と比較例２を比較すると、１枚当たりの処理室滞在時間は、（１８０秒−１２０秒＝）６０秒と、比較例２の方が大幅に時間がかかる結果となった。これは、基板支持台３を所定の回転速度まで加速する時間、及び停止させるために減速する時間の差によるものである。また、スパッタ時間Ｔで、基板支持台３が正確に２回転するように制御することによって、回転速度が比較例２よりも遅いにもかかわらず、膜厚均一度に問題はない。【００５１】
さらに、実施例３のように、加速中及び減速中においても、スパッタ成膜を行うことによって、実施例２に対して更に４秒の処理時間の短縮が可能となる。
【符号の説明】
【００５２】
Ｗ    基板
Ｔ    スパッタ成膜時間
Ｐ    回転周期
１    成膜装置
２    チャンバ
３    基板支持台
４    回転軸
５    スパッタリングカソード
６    処理室
７    駆動手段
【図１】
2012002473.tif 000003
【図２】
2012002473.tif 000004
【図３】
2012002473.tif 000005
【図４】
2012002473.tif 000006
【国際調査報告】
2012002473.tif 000007
2012002473.tif 000008
2012002473.tif 000009
2012002473.tif 000010